典型振动量检测系统设计

典型振动量检测系统设计
一、实验目的
1、了解振动量检测系统的构成、测量原理、特性。
2、理解振动量检测系统的动态特性对输出的影响。
3、掌握差动变压器、压电传感器、电涡流传感器3 种典型位移传感器的工作原理、基本结
构、性能及应用。了解各种传感器的典型测量电路的基本构成、特点及利用典型传感器测量振动
的方法。搭建3 种典型振动量检测系统并调试及完成实际振动量检测。
二、实验原理
差动变压器工作原理：
差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二
段式和三段式，本实验采用三段式结构。在传感器的初级线圈上接入高频交流信号，当初、次线
圈中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化促使两个
次级线圈感应电势产生变化，一只次级线圈感应电势增加，另一只次级线圈感应电势则减少，将
两只次级线圈反向串接(同名端连接)，在另两端就能引出差动电势输出，其输出电势的大小反映
出被测体的移动量。
压电式传感器工作原理：
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成（观察实验用压电加速度计结构）。
工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片
上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷，经电荷放大器转换成电压，
即可测量物体的运动加速度。
电涡流传感器工作原理：
通过高频电流的线圈产生高频磁场，当金属体处在高频磁场时，根据电磁感应原理，金属
体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。电涡流的产生必然要消
耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。涡流的
大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激励电流频率及线圈与金属体表面的距离x 等参
数有关。电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属体表面的距离x
以外的所有参数一定时，通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。根据电涡流传感器的位
移特性和被测材料特性可选择合适的工作点即可测量振动的振幅大小。
三、需用器件与单元

主机箱、差动变压器、压电传感器、电涡流传感器、差动变压器实验模板、压电传感器实验
模板、铁圆片、电涡流传感器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、振动源、示波器、
万用表。
四、实验步骤
（一）、差动变压器测振实验
1、安装差动变压器：将差动变压器按图4.1
卡在传感器安装支架的U 型槽上并拧紧差动变
压器的夹紧螺母，调整传感器安装支架使差动变
压器的铁芯连杆与振动台中心点磁钢吸合并拧
紧传感器安装支架压紧螺帽，再调节升降杆使差
动变压器铁芯大约处于线圈的中心位置。并用手
按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死
的现象，否则必须调整安装位置。
2、实验步骤：按图4.2 接线，并按以下步
骤操作：
首先：移相器调至起始零位（未移相）、相敏检波器调至输出波形不失真位置。（实验前已调
试完毕）
(1) 按图4.2 接线，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，振荡器输入电压信号，用示
波器、频率表观察音频振荡器Lv 端的频率和幅值Vp-p 值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vp-p=4V,
频率调整在5KHz。
(2) 调节差动变压器起始测量位置：用示波器观察相敏检波器的输出，调整传感器连接支架
高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
(3) 补偿零点残余电压值：仔细调节Rw1 和Rw2 使示波器(相敏检波输出)显示的波形幅值更
小，基本为零。
(4)设置差动变压器最大测量范围：用手按住振动平台(让传感器产生一个大位移)仔细调节
移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波的整流波形。松手后，整流波
形消失变为一条接近零点的直线(否则再调节Rw1 和Rw2)。
(5)振动信号接入并观察输出波形：将低频振荡器信号接入振动源的输入端，调节振动幅度
旋钮和频率旋钮（频率大约为10Hz，）使振动平台振动较为明显，用示波器分别观察放大器、相
敏检波器及低通滤波器的输出端波形。

图4.1 差动变压器振动测量安装图

图 4.2 差动变压器测量振动实验仪器连线图

3、实验内容：
（1）保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（3Hz～20Hz），用示波器观察低通滤波器
的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据，填入表4.1。同时，根据实验结果做出振动梁的振
幅——频率特性曲线，指出梁的自振频率范围值。
表4.1 差动变压器测量振动实验输入－输出数据表

f(Hz)
VP-P（V）

（2）保持低频振荡器频率（10Hz 左右）不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电
压峰峰值VP-P 曲线（定性）。实验完毕，关闭电源。
注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。

（二）、压电式传感器测振实验
首先：移相器调至起始零位（未移相）、相敏检波器调至输出波形不失真位置。（实验前已调
试完毕）
1、安装压电式传感器：将压电传感器安装在振动台面上（与振动台面中心的磁钢吸合），
同时，将压电传感器两输出端插入压电传感器实验模板的两输入端，见图4.3，屏蔽层接地。
2、接入振动源：将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入插孔。振动源的低频输入接主
机箱中的低频振荡器。
3、实验电路连线：连线按图4.3 示意接线，将压电传感器实验模板电路输出端V01（如增
益不够大则V01 接入IC2, V02 接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端VI，低通滤波器输出V0
与示波器相连。
4、调节起始测量点：合上主控箱电源开关，调节Rw 使低通滤波器输出Vo 为零。
5、实验内容：
(1)调节低频振荡器的频率及幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
(2)改变低频振荡器频率，观察输出波形变化，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下
表4.2，比较一下频率不同时的输出有什么不同。
(3)用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形，试比较一下有什么区
别？低通滤波器的作用是什么？
(4)比较一下低通滤波器的输出信号与低频振荡器的输出信号的相位有什么不同？
表4.2 压电式传感器测量振动实验输入－输出数据表

f(Hz)
VP-P（V）

图4.3 压电传感器测量振动实验仪器连线图

（三）电涡流传感器测振实验
首先：移相器调至起始零位（未移相）、相敏检波器调至输出波形不失真位置。（实验前已调
试完毕）
1、电涡流传感器的安装：参看图4.1 安装电涡流传感器，（逆时针转出压紧螺母，装上传
感器安装支架再顺时针转动压紧螺母），注意传感器端面与被测体振动台面（放置铁圆片）之间
的安装距离大约为0.5mm 左右。同时，将电涡流传感器输出插头插入实验模板相应的插孔中。
2、实验电路连接：按图4.4 接线，实验模板接入+15V 电源，实验模板输出端接示波器Y1
通道并与低通滤波器Vi 端相联，低通滤波器输出Vo 接示波器Y2 通道。
3、接入振动源并调起始位置：将主控台上的低频信号接入振动台，振荡频率设置在6—12HZ
之间，大约10HZ 左右。同时将主机箱中的低频振荡幅度旋钮逆时针（低频输出幅度为零）；检查
接线无误后，合上主控箱电源开关，慢慢增大低频振荡幅度（幅度控制在很小范围内），调节振
动源中的传感器升降杆（松开锁紧螺钉，粗调升降杆再细调调节螺母），用示波器观察电涡流实
验模板输出端波形（Y2）使输出端波形为正弦曲线（这时传感器端面与被测体振动台面之间的安
装距离为线性区域的大致中点位置），拧紧锁紧螺钉。注意：测量过程中，保持低频振荡器幅度
旋钮位置不变。
4、实验内容：
（1）改变振动频率测出不同频率下相应的传感器输出电压峰－峰值。填入表4.3 并画出
f——VO 特性曲线。由曲线估算振动台的谐振频率（VO 最大时对应频率）。同时调节传感器安装
支架高度，读取正弦波失真最小时的Y2 电压峰－峰值。
（2）用示波器观察电涡流实验模板输出端波形（Y1），和低通滤波器输出波形（Y2），实验
完毕，关闭电源。
表4.3 电涡流传感器测量振动实验输入－输出数据表

f(Hz)
VP-P（V）

图4.4 电涡流传感器测量振动实验仪器连线图

五、思考题
1、分析各种典型传感器测量振动时测量范围及特点。
2、有一个振动频率分别为1KHz 、10KHz 的被测物体需要测其振动参数，你是选用压电式
传感器还是电涡流传感器、差动变压器或认为三者均可？
3、根据所学的理论知识，还可以选择哪几种传感器测量振动，试举例说明。
六、考核方式
课堂表现10%，实际操作30%，实验报告60%。